由于液晶顯示器(LCD:Liquid Crystal Display)的應(yīng)用已經(jīng)從筆記型計算機，擴展到行動電話、汽車導(dǎo)航儀、家用電視等領(lǐng)域，因此LCD的自然色再現(xiàn)性成為各界關(guān)注的焦點，某些特殊領(lǐng)域甚至要求LCD的色再現(xiàn)范圍超過NTSC(National Television System Committee)的色彩規(guī)格，接著本文要介紹日本ライツ公司開發(fā)的23寸寬銀幕高階監(jiān)視器，與電視用具備高光束R/G/B LED(Light Emitting Diode)背光模塊的色再現(xiàn)性。

色再現(xiàn)性

事實上CRT(Cathode Ray Tubes)與冷陰極燈管(CCFL:Cold Cathode Fluorescent Lamp)都是應(yīng)用熒光體激發(fā)發(fā)光動作原理，CRT監(jiān)視器的色再現(xiàn)性領(lǐng)域受限于三原色的熒光體放射，雖然熒光體的放射頻譜分布非常寬廣，不過色再現(xiàn)性領(lǐng)域卻比NTSC規(guī)定的范圍窄，大約只能含蓋NTSC的70%相當(dāng)于EBU規(guī)范(European Broadcasting Union)，換句話說CRT的輝度與色再現(xiàn)性領(lǐng)域?qū)儆趖rade off關(guān)系。

目前CRT大多以輝度為主要訴求，相較之下使用CCFL光源的背光模塊(backlight module)的LCD，則是利用與LCD相性的彩色濾光膜片(Color Filter，以下簡稱為CF)決定色再現(xiàn)范圍。圖1(a)是CCFL的連續(xù)發(fā)光頻譜分布與CF的穿透分布特性，前者主要特征是R(Red)、G(Green)、B(Blue)各原色的支配性(dominant)波長之間，490nm與590nm附近不純輝線有sub peak極易因為混色造成色再現(xiàn)范圍變窄，根本解決方法是改用窄頻譜寬度、高光束R/G/B LED背光模塊；圖1(b)是LED背光模塊的發(fā)光特性，由于R/G/B LED背光模塊無造成不純輝線的sub peak，所以可以提高各原色的色純度，此外R的支配性波長在長波長側(cè)，因此在紅光領(lǐng)域可以獲得非常寬廣的色再現(xiàn)范圍。


(a)CCFL背光模組的頻譜分布 (b)R/G/B LED背光模組的頻譜分布
圖1 CCFL的連續(xù)發(fā)光頻譜分布與CF的穿透分布特性
　
R/G/B LED背光模塊

圖2是日本ライツ公司開發(fā)的23吋寬銀幕液晶顯示器用R/G/B LED背光模塊的構(gòu)造，如圖所示40個高功率R/G/B LED以9mm的間距，封裝在長方形基板構(gòu)成LED光源模塊，LED背光模塊左右兩側(cè)分別設(shè)置一個LED光源模塊，各光源產(chǎn)生的光線經(jīng)過空間混色后變成白光，再從背光模塊中央部位朝LCD方向射出，LCD背面設(shè)有一片擴散板、兩片擴散膜片、一片棱鏡(prism)膜片與一片偏光膜片。表1是上述R/G/B LED背光模塊使用的高功率R/G/B LED的光線與電氣特性一覽，根據(jù)測試結(jié)果顯示它可以獲得100% NTSC的色再現(xiàn)范圍。


表1 高功率R/G/B LED的光線與電氣特性一覽


　 圖2 R/G/B LED背光模塊的構(gòu)造
　
如眾所周知由于LED的構(gòu)成材料會有溫度特性差異，上述R/G/B LED光源模塊的G/B LED使用的化合物半導(dǎo)體材料與R LED不同，因此兩者的溫度變化系數(shù)也不同(圖3)，隨著室溫的變動與點燈后LED本身的溫升，極易造成混色后的白光輝度與色度不斷變化，有鑒于此R/G/B LED背光模塊透過最佳化熱設(shè)計抑制LED的溫升，此外還利用模塊內(nèi)的彩色傳感器(color sensor)，分別檢測R/G/B LED的輸出計算傳感器的輸出之后回饋(feed back)至LED，由于內(nèi)部演算器不會受到使用條件的變動影響，因此表面顯示輝度與色度非常穩(wěn)定。溫度造成LED的輸出產(chǎn)生變化，尤其是隨著紅光LED的溫升輸出的影響使得輸出大幅降低，為了抑制LED本身的溫升因此將高熱傳導(dǎo)性的鋁質(zhì)MCPCB(Meal Core Printed Circuit Board)設(shè)置在光源部的鋁質(zhì)筐體(frame)內(nèi)，背面再利用散熱鰭片(heat sink)進(jìn)行散熱。

　 圖3 R/G/B LED的溫度特性
　
圖4是R/G/B LED背光模塊的結(jié)構(gòu)方塊圖，如圖所示本背光模塊透過最佳化熱設(shè)計抑制LED的溫升，同時利用彩色傳感器(C9303)檢測R/G/B LED的光量，針對室溫變化與色度分布狀況，以PWM控制技術(shù)管理LED的驅(qū)動電流，PWM控制電路主要特征除了可以改變R/G/B LED的輸出之外，還可以在3000～9500K的范圍內(nèi)任意設(shè)定白光色溫。

表2是使用R/G/B LED的LCD規(guī)格，該顯示器使用23吋WUXGA(Wide Ultra Extended Graphic Array)等級的液晶面板，液晶顯示器輝度為250cd/m2，色溫6500K(偏光膜片上的輝度為4000cd/m2，CIE1391色度坐標(biāo)x=0.325,y=0.303。

圖4 R/G/B LED背光模塊的結(jié)構(gòu)方塊圖
　
　
表2 使用R/G/B LED的LCD規(guī)格

如圖5所示表2 使用R/G/B LED的LCD NTSC比超過100%，此外R/G/B LED各自擁有獨立的頻譜，所以可以調(diào)整白光的色度(圖6)。如上所述彩色傳感器與PWM回饋控制技術(shù)，可以使溫度造成的色度變化低于CIE1976USC坐標(biāo)ΔU‘V‘ =0.003，輝度變化則控制在5%范圍內(nèi)。

圖5 LED背光模塊與LCD的色再現(xiàn)范圍


　 圖6 色溫調(diào)整過的LED背光模塊頻譜分布特性
　
結(jié)語

以上介紹高光束R/G/B LED背光模塊的色再現(xiàn)特性，使用R/G/B LED背光模塊的液晶顯示器適合應(yīng)用在醫(yī)療、印刷、PC等領(lǐng)域，尤其是色溫范圍3000～9300K的家用液晶電視可以獲得寬廣的色再現(xiàn)范圍。

由于LED背光模塊的消費電力與制作成本還有很大的改善空間，因此今后除了LED背光模塊的光學(xué)系統(tǒng)之外，還需抑制LED本身的發(fā)熱問題。